热焚烧式焚烧炉工艺计算

1热焚烧式焚烧炉工艺计算现将热焚烧式尾气焚烧炉工艺计算有关问题介绍于下供参考。王遇冬2013.03.26一、直接焚烧法由于H2S的毒性比SO2大得多，工艺污染物排放标准规定H2S的排放量比SO2严格得多，即SO2的排放量约为H2S的15倍。焚烧法是将硫磺回收装置尾气中的H2S以及其他形式的硫化物（SO2除外）全部燃烧生成SO2。燃烧过程可以是纯粹的热反应，也可以是催化反应。焚烧法可以降低尾气的毒性，而总硫量并没有变化。1.热焚烧法通常，热焚烧法（热氧化）是在由过剩氧的存在下在480～810℃进行的。大多数热焚烧炉采用自然通风，利用烟道挡板控制空气流率使其在负压下运行，也可以采用强制通风使其在其正压下运行。过剩氧量应根据焚烧炉和燃烧器的结构和性能确定。采用气体燃料燃烧时一般在1.05～1.15甚至更高。虽然尾气中含有各种可燃物，例如H2S、COS、CO、H2及元素硫甚至烃类化合物，但由于它们的总含量一般不超过尾气量的3%，因而这些可燃物是在分出低的浓度下燃烧的。因此，整个尾气流必须在足以将元素硫和硫化物氧化为SO2的高温下焚烧，即焚烧温度（炉膛烟气温度）应确保尾气中的元素硫和硫化物完全氧化生成SO2。图1和图2为热焚烧炉的示意图。图1不回收热量的焚烧炉图2回收热量的焚烧炉回收焚烧炉炉膛出口烟气中热量也是一种提高其经济性能的方法。利用烟气的余热产生饱和蒸汽的压力一般在0.35～3.10MPa，而且还可利用此余热将饱和蒸汽过热。但是，在评价这种方法时还必须考虑烟气排放温度较低时对其在大气中漂流的影响，因而就涉及到对所需烟筒高度的影响。带有余热回收的焚烧炉一般采用强制通风在正压下运行。确定了尾气加热所需温度后，即可确定热焚烧炉所需的燃料气量、空气量和2高温烟气量。一般情况下焚烧炉的尺寸按高温烟气在炉膛的停留时间至少为0.5s确定，有时也可高至1.5s。停留时间越长，为了满足环保要求所需的焚烧温度就越低。图3是一个典型的热焚烧炉，为了符合最严格的H2S排放要求，即10×10-6（体积分数）时的高温烟气停留时间与温度的关系。图3焚烧炉内烟气停留时间与所需温度的典型关系图基准：烟气中H2S最高含量10×10-6（体积分数），O2含量约为2%高温烟气在炉膛中的停留时间确定后，即可求得炉膛体积，并需核对其体积热流密度（体积热强度）是否合适。2.催化焚烧法采用催化焚烧法（催化氧化法）可以将焚烧炉的燃料气消耗量明显降低。此法系通过燃料气与流量加以控制的空气燃烧放热将尾气流加热至大约310～420℃，然后将加热了的尾气通过催化剂床层焚烧。催化焚烧一般采用强制通风，在正压下运行以便使过剩空气量的控制更加精确。当燃料气费用很贵，采用常规的热焚烧法不经济时可考虑采用催化焚烧法。二、燃烧过程计算由上可知，在尾气焚烧炉中的燃烧过程包括燃料气的燃烧和尾气中可燃物的燃烧两部分。其中，前者是为尾气中可燃物燃烧提供足够的高温，后者是为了将尾气中的元素硫和硫化物完全氧化生成SO2。二者的燃烧过程计算基本相同，只是尾气中仅仅是一些可燃物进行燃烧，其他非可燃物则作为惰性气体被加热后进入高温烟气中。。现以燃料气燃烧过程为例加以说明。㈠燃料的种类、组成和发热量油气生产过程中采用的燃料有液体燃料和气体燃料两种。液体燃料多为重质燃料油，气体燃料则多为天然气。燃料最重要的特性是其组成（燃料油为元素组成，燃料气为组分组成）和发热量。1.燃料组成燃料油的元素组成通常用油中所含的碳（C）、氢（H）、氧（O）、氮（N）、水分（W）和灰分（A）的质量百分数来表示。其中主要是碳和氢。氧、氮和灰分的含量很少，往往可以忽略不计。燃料油的元素组成可用元素分析法直接确定，在无实验数据时，也可根据燃料油的相对密度由经验公式估算。3气体燃料的组成则用各组分的体积百分数或摩尔百分数表示。2.燃料的发热量单位质量液体燃料或单位体积气体燃料完全燃烧时的热效应称为燃料的燃烧热。燃烧热的绝对值称为燃料的热值。对于反应产物可能是气态或液态的那些化学反应，其热值有高、低之分。燃烧产物（例如水）为气态时得到的是低热值Ql；燃烧产物为液态时得到的是高热值Qh。二者之差等于燃烧产物由气态凝结成液态时所放出的相变焓。由于在加热设备中，燃烧后生成的水总是以气态形式存在，故今后在燃烧计算中均采用低热发热量。燃料油的发热量是指1kg燃料完全燃烧时所放出的热量，其单位为kJ/kg。燃料油的密度越小，热值越高。燃料油发热量可由实验测定，或根据其元素组成（质量百分数）计算，即高发热量h4.1878130026()QCHSO低发热量l4.1878124626()6QCHSOW式中C、H、S、O、N分别为燃料油中碳、氢、硫、氧、水分的质量百分数。例如碳为86%，则C=86。燃料气的发热量常用1m3燃料完全燃烧时所放出的热量来表示，其单位为kJ/m3。必须注意的是，热值单位中的m3指0℃、101.325kPa或15.6℃、101.325kPa时的体积，计算时应根据具体情况采用其中一种并注意统一。燃料气的发热量可由其组分组成yi和各组分的发热量（高发热量qhi或低发热量qli）计算，即高发热量hhiiQyq低发热量lliiQyq㈡理论空气用量与过剩空气系数为保证燃料完全燃烧，必须在燃烧过程中供给足够的空气量。此外，为了加速重质液体燃料的加热、蒸发、分解和燃烧，使其尽量达到充分燃烧，还需将燃料油雾化成微粒，并形成一定流量密度分布。燃料油的雾化有机械雾化、蒸汽雾化和联合雾化三种。1.理论空气用量⑴液体燃料液体燃料完全燃烧时所需的理论空气用量，可根据化学反应式求得，即①22C+OCO123244即燃烧1kg的碳需要32/12=2.67kg的氧。②2221HOHO221618即燃烧1kg的氢需要16/2=8kg的氧。③22S+OSO4323264即燃烧1kg的硫需要32/32=1kg的氧。由于燃料中自身所含的氧也参加了反应，故由空气供给的理论用氧量LO2为2O0.02670.080.010.01LCHSOkg氧/kg燃料空气中氧气的质量含量大约是23%，将上式右侧各项分别除以0.23，则燃烧1kg液体燃料需要的理论空气量L0为00.1160.3480.0435()LCHSOkg空气/kg燃料⑵气体燃料空气中氧气的体积含量大约是21%，故气体燃料完全燃烧时所需要的理论空气量V0为2mn220HCOCHHSO10.50.51.50.214nVyymyyym3空气/m3燃料式中2mn22HCOCHHSOyyyyy、、、、分别为各组分在气体燃料中的体积分数。2.过剩空气系数在实际操作中，空气与燃料的混合总不能非常充分，所以要使燃料完全燃烧，必须供给比理论空气量多的空气。实际加入的空气量与燃料完全燃烧所需的理论空气量之比称为过剩空气系数，通常以表示，即00LVLV式中LV、分别为实际加入的质量和体积空气量。过剩空气系数是影响包括焚烧炉在内的明火加热设备热效率的一项重要指标。太小，空气供应不足，燃料不能充分燃烧，加热设备热效率低；太大，空气供应量过多，相对降低了燃烧温度和烟气的黑度，影响传热效果。而且，也增加了排出的烟气量和热损失，使明火加热设备热效率降低。此外，过多的空气还会使烟气中的氧含量增加，加剧了炉管或火管表面的氧化脱皮，从而使其寿命缩短。因此，在保证燃料完全燃烧的前提下，应尽量降低过剩空气系数。影响过剩空气系数的因素有燃料性质、燃烧器的性能、明火加热设备的密封性、测控水平，以及操作人员的水平等。对液体燃料，取=1.2～1.4；对气体燃料，取=1.05～1.15。。在实际操作中，也可利用烟气分析结果计算过剩空气系数，即2222COOCOO1001004.76yyyy式中22COOyy、分别为烟气中22COO、的体积百分数。㈢热效率与燃料量1.热效率5明火加热设备的热效率直接影响着其燃料用量。热效率η是被加热介质吸收的热量（即热负荷）与燃料燃烧时放出的总热量之比。它是衡量明火加热设备燃料消耗的重要指标。对于焚烧炉这样的明火加热设备，由于是将进入炉膛的尾气直接加热至一定高温使其焚烧，故不必考虑热效率。根据热效率的定义，有两种表示形式，即正平衡EBQQ反平衡SB1QQ式中：BQ—燃料完全燃烧所放出的热量，BESQQQ，kJ/h；EQ—有效热量，kJ/h；SQ—损失热量，S2LQQQ，kJ/h；2Q—烟气在温度2T下离开明火加热设备时带走的热量，kJ/h；LQ—明火加热设备的散热损失，kJ/h。2.燃料量燃料量B（kg/h）可根据有效热负荷EQ、热效率和燃料的低热值lQ求得，即ElQQB当加热设备只加热一种流体时，有效热负荷EQ可按下式计算，即EVLi1Qmehehh式中：m—被加热流体的流量，kg/h；vh—流体在离开加热设备温度下的气相比焓，kJ/kg；Lh—流体在离开加热设备温度下的液相比焓，kJ/kg；ih—流体在进入加热设备温度下的液相或混合相比焓，kJ/kg；e—流体在离开加热设备温度下的质量气化率，%。㈣烟气组成与流量1.烟气组成假定燃料完全燃烧，燃烧后不产生CO，对液体燃料作元素平衡则有6碳平衡2CO/1200mC氧平衡2O00.23(1)/32/3200mLO氮平衡2N00.77/28/2800mLN硫平衡2SO/3200mS水平衡22HOHO(/100)/18/200mGWH式中：im—每kg液体燃料燃烧后所生成的某一组分的摩尔数，mol/kg；2HOG—1kg液体燃料燃烧时所需的雾化蒸汽量，一般取（0.3～0.5）kg/kg燃料。对气体燃料作元素平衡则有碳平衡2426382COCHCHCHCOCO23myyyyy氧平衡22O0O0.21(1)mVy氮平衡22N0N0.79mVy硫平衡222SOHSSOmyy水平衡242638222HOCHCHCHHSHHO234myyyyyy式中：im—每kmol气体燃料燃烧后所生成的某一组分的摩尔数，mol/kmol燃料。因此，液体、气体燃料燃烧后所产生的烟气组成为,/iiiymm式中：,iy—烟气中各组分的体积分数。2.烟气流量燃料燃烧后所产生的烟气流量mg为2g0HO(1)mBLG式中mg的单位为kg/h，GHO为采用液体燃料时的雾化蒸汽量，单位为kg蒸汽/kg燃料。3.烟气的焓在计算烟气在某一温度下离开明火加热设备所带走的热量时，需要确定烟气的焓。烟气中各组分的比焓可由有关文献确定，也可近似由Wimpress建议采用的图4先直接查得烟气带走的热量q2(kJ/kg)与燃料低热值Q1之比，从而再求出7q2。图4烟气带走的热量损失图